CFRP板厚與鉚釘長度對CFRP-鋁膠鉚接頭力學性能的影響

段心材，許莎，卞海玲，嚴穎清

CFRP板厚與鉚釘長度對CFRP-鋁膠鉚接頭力學性能的影響

段心材，許莎*，卞海玲，嚴穎清

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

板材厚度和鉚釘長度影響著碳纖維增強復合材料（CFRP）板和鋁板的膠鉚接頭力學性能。文章以6061-T6鋁合金和CFRP板為研究對象制備膠鉚接頭，通過剖面直觀測量和拉伸-剪切試驗來分析CFRP板厚和鉚釘長度對接頭力學性能的影響。結果表明：在CFRP板鋪層方式相同的情況下，使用5.5 mm和6 mm的鉚釘進行膠鉚連接試驗時，合適的CFRP板厚分別為1.35～1.62 mm和1.62～1.89 mm；當板厚相同時，較長的鉚釘能獲得更高強度的膠鉚試樣。

CFRP；鉚釘長度；膠鉚連接；力學性能

引言

汽車輕量化是降低汽車能耗、提高汽車性能的有效方法之一。復合材料和鋁合金具有強度高、密度小等優點，目前被愈來愈多地應用到汽車車身的連接中，從而達到降低汽車整體質量的目的。汽車的車身連接通常包括焊接、膠接、螺栓連接、鉚接以及混合連接等。近年來，學者們對復合材料與鋁合金薄板的自沖鉚接展開了研究，Kroll等人[1]探索了CFRP-鋁合金板之間的半空心自沖鉚接，通過建立自沖鉚接模型分析鉚接孔周圍的應力分布。Franco等人[2-3]研究了鉚釘間距對CFRP-鋁合金板自沖鉚接接頭力學性能的影響。Amandine等人[4]討論了圓頭鉚釘和平頭鉚釘對復合材料與鋁合金板連接接頭動態疲勞載荷的影響。昆明理工大學何曉聰團隊[5-6]分析了復合材料與鋁合金板連接接頭的成形機理、失效形式、接頭質量等。然而，研究發現鉚接接頭的鉚釘孔周圍經常會有應力集中的現象，并且板件間連接的密封性較差。因此，有學者開始將膠接與鉚接兩種技術結合起來用于復合材料與金屬的連接，以提高接頭的力學性能和密封性能。

Sadowski等人[7]研究了鉚釘布局對膠鉚接頭的變形和應力的影響，得到了優化的鉚釘布局方案。Franco等人[8]通過拉伸試驗對復合材料與AA2024-T6鋁板的膠接、鉚接以及膠鉚連接的力學性能進行對比。Marannano等人[9]分析了采用不同材質鉚釘時復合材料與AW6082-T6鋁合金搭接接頭的失效模式及疲勞性能。Yang Liu等人[10]制備了不同鋪層角度的CFRP與AL5754板的膠鉚接頭，研究了各組接頭的力學性能，觀察鉚釘孔周圍板材的破壞形態，分析了接頭的失效機理。國內學者在連接方式、膠粘劑種類、鉚釘尺寸等方面對膠鉚連接強度進行研究。楊琨等人[11]探討了CFRP與高強度鋼膠鉚連接的工藝和性能。劉曉東等人[12]針對不同的膠粘劑及鉚釘尺寸對膠鉚接頭的失效形式進行了總結。盧嘉偉等人[13]將CFRP與AL5052薄板分別進行自沖鉚接、膠接和膠鉚連接，采用剖面直觀檢測方法對接頭成形質量進行了評價。

針對復合材料與金屬的膠鉚連接，國內外學者已經從CFRP鋪層方式、膠粘劑種類、鉚釘材質等方面開展了研究，但是影響復合材料與金屬膠鉚接頭力學性能的因素較多，板材厚度和鉚釘長度會對膠鉚接頭的力學性能產生很大的影響，而目前對于這兩種因素的研究較少。因此，本文以CFRP與6061-T6鋁合金薄板作為研究對象，通過試驗研究不同類型膠鉚接頭力學性能的變化規律，從而得到最優的膠鉚連接參數。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

圖1 膠鉚連接示意圖（單位：mm）

試驗中使用的碳纖維增強復合材料（CFRP）板的型號為T300，鋁合金板為1.5 mm厚的6061-T6鋁合金。膠粘劑的牌號為ET5429，是由環氧樹脂和多胺硬化劑混合而成，適合用于絕大多數復合材料和金屬的連接。自沖鉚釘為半空心鉚釘，材質為45號鋼。CFRP和鋁合金板的尺寸為150 mm×40 mm，采用搭接方式，搭接長度為30 mm，如圖1所示。代表CFRP板的厚度。

1.2 試驗方法

在制備膠鉚試樣時，首先使用酒精擦拭鋁板表面去除油污。同時使用400目砂紙打磨CFRP板的表面，在不破壞纖維的前提下去除板材表面的保護層，打磨結束后用酒精擦拭材料表面殘留的碎屑，并在室溫下進行風干。表1所示是本文CFRP與鋁板膠鉚連接試驗的方案。表1中，字母S和L代表鉚釘的長度。S代表短鉚釘，L代表長鉚釘。字母S或L后的數字為CFRP層合板的層數，橫杠“-”后的數字為鉚釘的長度。如“S12-5.5”代表CFRP板的層數為12，鉚釘長度為5.5 mm的膠鉚試樣。

表1 不同CFRP板厚與鉚釘長度的膠鉚試樣

試樣類型CFRP鋪層方式CFRP厚度/mm試樣個數 S8-5.5[0/90]2S1.085 S10-5.5[0/90/0/90/0]S1.355 S12-5.5[0/90]3S1.625 L12-6[0/90]3S1.625 L14-6[0/90/0/90/0/90/0]S1.895 L16-6[0/90]4S2.165

1.3 接頭剖面制備

膠鉚連接接頭的質量，通常采用剖面直觀測量來評價，在連接試驗完成后需要進行接頭剖面的制備。采用圖2(a)所示的SQ-100型切割機沿著鉚釘頭部的子午線進行切割。切割完成后，采用圖2(b)所示的金相磨拋機對剖面進行反復研磨直到剖面清晰。然后利用圖2(c)所示的體視顯微鏡觀察研磨后的剖面，測量并記錄接頭質量主要評價參數如內鎖長度、鉚釘頭部高度和剩余厚度等。根據剖面直觀測量質量評價標準的規定[14]，當鉚釘頭部高度的絕對值在0～0.3 mm之間，剩余厚度不小于0.14 mm時，鉚接接頭的質量較好。

圖2 接頭剖面制備試驗設備

1.4 拉伸-剪切試驗

本文采用MJD-200B型微機控制萬能拉伸試驗機對CRFP-鋁板膠鉚接頭進行拉伸-剪切試驗。試驗過程中的拉伸速度為5 mm/min，最大拉伸力為200 kN。試驗時采用夾具將膠鉚接頭兩端夾緊，記錄并保存拉伸的載荷-位移數據。

2 結果及討論

2.1 剖面直觀測量

圖3為六種類型膠鉚接頭的剖面直觀圖。從圖3可以看出，六種類型膠鉚接頭的鉚釘頭部高度絕對值都低于0.3 mm，表明接頭具備一定的密封性。六種類型膠鉚接頭的剩余厚度都大于0.14 mm，說明鋁合金板在鉚接過程中沒有出現裂紋，能夠較好地成形。內鎖長度是用來評價膠鉚接頭強度的重要指標，從圖3中可以看出，同樣的鉚釘長度下，接頭的內鎖長度隨著CFRP板鋪層數的增加而逐漸下降。圖3(f)中，當CFRP板的厚度為2.16 mm且鋪層數為16層時，內鎖長度只有0.131 mm，遠小于其他幾種膠鉚接頭的內鎖長度，說明該接頭在承受外界載荷時容易發生斷裂。從圖3還可看出，在同一鉚釘長度下，隨著CFRP板厚度的增加，鉚釘腿部空心處的CFRP材料也增多，這樣就會造成鉚釘腿部不能與下板充分接觸從而產生互鎖，接頭質量較差。

圖3 不同類型的膠鉚接頭剖面圖

2.2 載荷-位移曲線

圖4所示為六種不同類型膠鉚接頭拉伸試驗的載荷-位移曲線。從圖4可以看出，除了S8-5.5這組接頭外，其他五種類型的膠鉚接頭都經歷了彈性、塑性、膠層失效和鉚釘失效這四個階段。S8-5.5接頭試樣在膠層失效階段發生斷裂，沒有經歷鉚釘失效的階段，如圖4中虛線方框所示。S8-5.5接頭試樣的CFRP板的厚度為1.08 mm，鋪層數為8。當膠層失效后，CFRP板鉚釘孔周圍的材料將受到鉚釘的擠壓，由于CFRP板的厚度較薄，不足以提供鉚釘頭部足夠的支撐，從而導致接頭發生突然斷裂，接頭的極限失效載荷較低。從L16-6接頭試樣的載荷-位移曲線可看出，膠鉚接頭在鉚釘失效階段的位移僅為0.492 mm，與其他五種接頭的鉚釘失效位移相比較短。這是由于L16-6的內鎖長度為0.131 mm，鉚釘與鋁板不能形成良好的互鎖結構，從而導致接頭在鉚釘失效階段發生斷裂。

圖4 六種膠鉚接頭試樣的載荷-位移曲線

圖5 極限失效載荷平均值及能量吸收值

圖5所示為六種膠鉚接頭的極限失效載荷平均值和能量吸收值。從圖5可以看出，當鉚釘長度為5.5 mm時，S8-5.5接頭的極限失效載荷和能量吸收值最小。S10-5.5和S12-5.5接頭的極限失效載荷和能量吸收值差別不大，但與S8-5.5接頭相比兩者分別提升了16%和70%左右。當鉚釘長度為6 mm時，L12-6和L14-6接頭的力學性能相比L16-6接頭來說表現更優，尤其是能量吸收值提高了大約30%。當CFRP板的鋪層數和厚度相同的情況下，比如S12-5.5與L12-6接頭，使用長度為6 mm的鉚釘所獲得的膠鉚接頭的強度更高。因此，CFRP板與鋁合金板膠鉚接頭的力學性能受板材厚度和鉚釘長度的共同影響，為了獲得優良的膠鉚接頭力學性能必須綜合考慮這兩個因素。

2.3 失效模式

圖6所示為六種類型膠鉚接頭的失效模式。圖6(a)所示為S8-5.5膠鉚接頭的失效模式。從虛線框的失效位移可以看到CFRP板與鋁板上下分離，膠粘劑失去黏結力，但CFRP板與鋁板仍然由鉚釘連接在一起。這是因為在拉伸剪切力的作用下，鉚釘頭部一側將CFRP板分層，導致CFRP板被鉚釘頭部固定住而未發生脫離。圖6(b)為S10-5.5膠鉚接頭失效模式，被刺穿的CFRP板在拉伸過程中受到鉚釘頭部的擠壓發生分層撕裂，使得鉚釘孔變大而無法繼續夠承受更多的外載荷，同時由于鉚釘腿部與鋁板的內鎖長度較大，互鎖性能較好，所以鉚釘沒有脫離下層鋁板。鋁板有少量的膠粘劑存在，膠粘劑的破壞為混合破壞模式。

圖6 不同類型膠鉚試樣失效模式

圖6(c)到圖6(f)所示的四種膠鉚接頭的失效模式都是鋁板脫離鉚釘和CFRP板，鉚釘位于CFRP板并有脫離的趨勢，同時鉚釘頭部擠壓CFRP板導致鉚釘孔周圍出現纖維撕裂破壞的情況。膠層的失效模式為混合破壞。圖6(c)和圖6(d)所示的鋁板上附著有膠粘劑和CFRP板基體材料。圖6(f)所示的L16-6膠鉚接頭鋁板端部附著有0°鋪層的纖維，而CFRP板上90°鋪層的纖維裸露在外，說明膠鉚接頭端部膠粘劑與板材的黏結力大于復合材料基體與增強體之間的黏結力。圖6中不規則圖形注明的區域代表黏結空隙，這些粘接空隙的產生主要是因為膠粘劑未能與板材充分接觸。

3 結論

本文針對CFRP板與鋁板的膠鉚連接問題，分別使用不同厚度的CFRP板和不同長度的鉚釘進行膠鉚連接試驗，并對不同接頭試樣進行拉伸試驗和失效模式分析，得出以下結論：

（1）當鉚釘長度不變時，隨著CFRP板厚度的增加，膠鉚接頭的內鎖長度降低。

（2）在CFRP板鋪層方式不變的前提下，為了獲得較好的接頭質量，當鉚釘長度為5.5 mm時，適合的CFRP板厚為1.35～1.62 mm；當鉚釘長度為6 mm時，適合的CFRP板厚為1.62～1.89 mm。當CFRP板厚相同時，使用5.5 mm長的鉚釘獲得的接頭強度比使用6 mm長鉚釘的低。因此，為了獲得良好的膠鉚接頭力學性能必須綜合考慮這兩個因素。

（3）CFRP與鋁板膠鉚連接接頭的主要失效模式為鋁板脫離CFRP板和鉚釘，以及膠層的混合失效。由于S8-5.5和S10-5.5的膠鉚接頭的上層CFRP板比較薄，這兩種接頭的失效模式與其余四種接頭有所不同。S8-5.5接頭失效后CFRP板、鋁板和鉚釘仍然連接在一起，而S10-5.5接頭的CFRP板脫離鋁板和鉚釘。

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Effect of CFRP Plate Thickness and Rivet Length on Mechanical Properties of CFRP- Aluminum Bond-riveted Joints

DUAN Xincai, XU Sha*, BIAN Hailing, YAN Yingqing

( School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620 )

The thickness of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) plate and the length of rivet affect the mechanical properties of bond-riveted joints between CFRP and aluminum plate. In this paper, 6061-T6 aluminum alloy and CFRP plate were used as research objects to prepare bond-riveted joints. The effects of CFRP plate thickness and rivet length on the mechanical properties of joints were analyzed by means of section measurement and tensile shear test. The results show that the suitable thickness of CFRP plate is 1.35～1.62mm and 1.62～1.89mm respectively when 5.5 mm and 6 mm rivets are used for bond-riveted test under the same stacking mode of CFRP plate; when the thickness of plate is the same, longer rivets can obtain higher strength riv-bonding samples.

CFRP; Length of rivet; Bond-riveted joint; Mechanical property

U465;U466

A

1671-7988(2021)23-128-05

U465；U466

A

1671-7988(2021)23-128-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.036

段心材，就讀于上海工程技術大學機械與汽車工程學院。

許莎，博士，講師，就職于上海工程技術大學機械與汽車工程學院。